非圆形隧道掘进装备及开挖方法技术

本发明专利技术提供一种非圆形隧道掘进装备，掘进机主体的前端面设有多个游动刀盘装置，游动刀盘装置上设有可转动的切削刀盘，切削刀盘的工作面朝向隧道的掌子面，游动刀盘装置还设有刀盘滑块；在掘进机主体的前端面设有多个沿着前端面分布的滑道，刀盘滑块由驱动装置驱动沿着滑道游动。以具有倒“U”形前端面的掘进机主体，利用游动刀盘装置在隧道中开挖倒“U”环形的隧道；在开挖形成的芯岩端面设置多个注浆孔，用管路将柱塞压力机与注浆孔连接，在注浆孔注入压力介质，使芯岩破碎；在破碎的芯岩之后设置铣平装置，使隧道地面平整；通过以上步骤实现非圆形隧道的快速掘进。本发明专利技术结构简单，驱动方便，能够通过提高转速来提高开挖速度。能够通过提高转速来提高开挖速度。能够通过提高转速来提高开挖速度。

【技术实现步骤摘要】
非圆形隧道掘进装备及开挖方法


[0001]本专利技术涉及水利水电隧道施工
，特别是一种非圆形隧道掘进装备及开挖方法。

技术介绍

[0002]现有的水工隧道，通常具有较大的通流截面，与高度相比，更大宽度使通流效果更佳因此通常优选采用倒“U”形的隧道，对于围岩状态不佳，例如IV类及以下有节理发育、有层状软弱面的围岩，通常每天掘进速度不能超过3米。目前的施工方式通常采用阶梯法，即先开挖隧道上层，部分位置小导管注浆提前支护，然后开挖下层，这种施工方法为线性施工，不同阶段的设备和人员施工互相影响，施工效率低。而且对于V类及以下围岩，采用逆做支护的方式，使支护结构处于悬臂受力状态，底部缺少支撑，如果碰到施工进度受阻的情形，有导致支护位置变形超设计甚至垮塌的风险。现有技术中也有采用掘进机进行施工的方案，但是大截面的盾构刀盘存在边缘线速度远大于中心线速度的问题，为限制边缘线速度，需要降低刀盘转速，这进一步影响了施工效率。而且现有技术中对于硬岩的掘进效率较低，而采用钻爆法施工，又存在安全性问题以及隧道超欠挖的问题。该技术问题尤其是对于地质条件复杂，即有硬岩区域也有强风化、砂岩和泥岩间层区域，这一地质特点在我国福建、广西和云南等地较为明显。经过检索，目前现有施工技术中尚无可供借鉴的解决方案。

技术实现思路

[0003]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种非圆形隧道掘进装备及开挖方法，能够提供大幅提高掘进效率，而且对地质条件的适应性较佳，能够应对各种地形的掘进，尤其是适用于地质条件复杂的区域，且整体能耗较低。/>[0004]为解决上述的技术问题，本专利技术的技术方案是：一种非圆形隧道掘进装备，掘进机主体的前端面设有多个游动刀盘装置，游动刀盘装置上设有可转动的切削刀盘，切削刀盘的工作面朝向隧道的掌子面，游动刀盘装置还设有刀盘滑块；在掘进机主体的前端面设有多个沿着前端面分布的滑道，刀盘滑块由驱动装置驱动沿着滑道游动。
[0005]优选的方案中，所述的前端面为倒“U”形结构，前端面的外缘与隧道的内壁贴合，前端面的内壁贴合芯岩的外壁；滑道的形状为相应的倒“U”形；多个游动刀盘装置的移动轨迹覆盖整个前端面。
[0006]优选的方案中，所述的前端面设有至少一个阶台，在每个阶台对应的前端面均设有游动刀盘装置。
[0007]优选的方案中，游动刀盘装置的结构为，刀盘滑块与滑道滑动连接，切削刀盘与刀盘主轴固定连接，刀盘主轴与用于驱动刀盘主轴旋转的驱动装置连接；在刀盘滑块上还设有沿着滑道的行走主轴，在滑道的侧壁设有螺旋齿驱动槽，在
行走主轴上设有螺旋齿轮，螺旋齿轮与螺旋齿驱动槽啮合连接，以通过螺旋齿轮的旋转带动刀盘滑块沿着滑道行走；行走主轴与用于驱动行走主轴旋转的驱动装置连接。
[0008]优选的方案中，所述的螺旋齿轮至少为两个，每个螺旋齿轮的螺纹圈数在1~2之间，其中一个螺旋齿轮与行走主轴固定连接，另一个螺旋齿轮与行走主轴以可调节位置的方式固定连接，以调节螺旋齿轮与螺旋齿驱动槽之间的间隙。
[0009]优选的方案中，在掘进机主体内还设有柱塞压力机，柱塞压力机的输出管汇与压力介质分配器连接，压力介质分配器通过管路与芯岩上的各个注浆孔连接，柱塞压力机用于输出压力介质使芯岩破碎。
[0010]优选的方案中，在压力介质分配器上设有多个自控阀，用于控制每个管路的进液，在每个管路上设有压力传感器。
[0011]优选的方案中，在掘进机主体内还设有铣平装置，铣平装置上设有水平布置的滑道，滑道内设有游动刀盘装置，游动刀盘装置的刀盘滑块由驱动装置驱动沿着滑道游动。
[0012]一种采用上述的非圆形隧道掘进装备的开挖方法，包括以下步骤：S1、以具有倒“U”形前端面的掘进机主体，利用游动刀盘装置在隧道中开挖倒“U”环形的隧道；S2、在开挖形成的芯岩端面设置多个注浆孔，注浆孔的轴线与隧道的轴线平行，用管路将柱塞压力机与注浆孔连接，在注浆孔注入压力介质，使芯岩破碎；S3、在破碎的芯岩之后设置铣平装置，利用游动刀盘装置使隧道地面平整；通过以上步骤实现非圆形隧道的快速掘进。
[0013]一种采用上述的非圆形隧道掘进装备的开挖方法，包括以下步骤：S01、以具有倒“U”形前端面的带有阶台的掘进机主体，驱动游动刀盘装置在隧道中开挖阶台状的倒“U”环形的隧道；通过控制游动刀盘装置沿着滑道移动，切削形成整个倒“U”环形隧道；其中靠近底部的阶台状的倒“U”环形的隧道首先开挖；S02、在先挖部分隧道内两侧底部安装装配式地联梁，装配式地联梁为预制结构，两端保留外露的纵筋，装配式地联梁上还设有孔，用于与锚索固定连接，以装配式地联梁为基础，安装支护钢架，支护钢架与注浆锚杆连接，并挂网湿喷支护；S03、在后挖部分隧道内继续安装支护钢架的上部拱形部分，并挂网湿喷支护；有必要的位置进行超前导管注浆支护；S04、在开挖形成的芯岩端面设置多个注浆孔，注浆孔的轴线与隧道的轴线平行，用管路将柱塞压力机与注浆孔连接，在注浆孔按照由外层到内层的顺序注入压力介质，使芯岩依次在无侧限的状态下破碎；S05、在破碎的芯岩之后设置铣平装置，驱动游动刀盘装置沿水平切削使隧道地面平整；通过以上步骤实现破碎围岩条件下非圆形隧道的快速掘进。
[0014]本专利技术提供的一种非圆形隧道掘进装备及开挖方法，通过采用倒“U”环形开挖的装备，机械开挖面积小，仅需开挖出满足支护施工的空间即可，机械设备的挖掘效率非常高，能耗较低。而且采用游动刀盘装置的结构，结构简单，驱动方便，能够通过提高转速来提
高开挖速度，而且能够适用从硬岩到软弱层的各种地形，是一种适合作为全地质条件下的高效率开挖装备。由于在开挖过程中芯岩结构的存在，即便出现垮塌现象，芯岩的结构也能够起到较好的支撑效果，提高了安全性。而芯岩采用压力破碎的方案，以例如30兆帕以上的压力介质将芯岩在无侧限的状态下进行压力破碎，即确保了安全性，而且与机械开挖相比，能耗大幅下降。配合后方的铣平装置，能够获得高精度的隧道断面，解决超欠挖的问题。在本专利技术的施工方法中，采用了装配式地联梁的结构，进一步提高支护效率，尤其是，装配式地联梁能够在支护并沉降一段时间后，再将各段装配式地联梁的端头进行钢筋连接并浇筑，克服了不均匀沉降对装配式地联梁的变形影响。采用从底部开始支护的方案，能够使顶部支护获得可靠支撑，避免顶部支护变形甚至垮塌，进一步提高了安全性。
附图说明
[0015]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明：图1为本专利技术的掘进装备的前端面示意图。
[0016]图2为本专利技术的掘进装备的侧视图。
[0017]图3为本专利技术的掘进装备另一优选方案的侧视图。
[0018]图4为本专利技术的芯岩端面的结构示意图。
[0019]图5为本专利技术的铣平装置端面的结构示意图。
[0020]图6为本专利技术的游动刀盘装置的结构示意图。
[0021]图7为本专利技术的游动刀盘装置的刀盘滑块横截面的结构示意图。
[0022]图中：隧道1，游动刀盘装置2，切削刀盘201，轴承202，刀盘主轴203，第一锥齿本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非圆形隧道掘进装备，其特征是：掘进机主体（4）的前端面（43）设有多个游动刀盘装置（2），游动刀盘装置（2）上设有可转动的切削刀盘（201），切削刀盘（201）的工作面朝向隧道（1）的掌子面，游动刀盘装置（2）还设有刀盘滑块（214）；在掘进机主体（4）的前端面设有多个沿着前端面（43）分布的滑道，刀盘滑块（214）由驱动装置驱动沿着滑道游动。2.根据权利要求1所述的非圆形隧道掘进装备，其特征是：所述的前端面（43）为倒“U”形结构，前端面（43）的外缘与隧道（1）的内壁贴合，前端面（43）的内壁贴合芯岩（5）的外壁；滑道的形状为相应的倒“U”形；多个游动刀盘装置（2）的移动轨迹覆盖整个前端面（43）。3.根据权利要求1所述的非圆形隧道掘进装备，其特征是：所述的前端面（43）设有至少一个阶台（17），在每个阶台对应的前端面均设有游动刀盘装置（2）。4.根据权利要求1~3任一项所述的非圆形隧道掘进装备，其特征是：游动刀盘装置（2）的结构为，刀盘滑块（214）与滑道滑动连接，切削刀盘（201）与刀盘主轴（203）固定连接，刀盘主轴（203）与用于驱动刀盘主轴（203）旋转的驱动装置连接；在刀盘滑块（214）上还设有沿着滑道的行走主轴（213），在滑道的侧壁设有螺旋齿驱动槽（301），在行走主轴（213）上设有螺旋齿轮，螺旋齿轮与螺旋齿驱动槽（301）啮合连接，以通过螺旋齿轮的旋转带动刀盘滑块（214）沿着滑道行走；行走主轴（213）与用于驱动行走主轴（213）旋转的驱动装置连接。5.根据权利要求4所述的非圆形隧道掘进装备，其特征是：所述的螺旋齿轮至少为两个，每个螺旋齿轮的螺纹圈数在1~2之间，其中一个螺旋齿轮与行走主轴（213）固定连接，另一个螺旋齿轮与行走主轴（213）以可调节位置的方式固定连接，以调节螺旋齿轮与螺旋齿驱动槽（301）之间的间隙。6.根据权利要求1或5所述的非圆形隧道掘进装备，其特征是：在掘进机主体（4）内还设有柱塞压力机（15），柱塞压力机（15）的输出管汇（14）与压力介质分配器（13）连接，压力介质分配器（13）通过管路与芯岩（5）上的各个注浆孔（51）连接，柱塞压力机（15）用于输出压力介质使芯岩（5）破碎。7.根据权利要求6所述的非圆形隧道掘进装备，其特征是：在压力介质分配器（13）上设有多个自控阀（12），用于控制每...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艺林，
申请(专利权)人：湖北水利水电职业技术学院，
类型：发明
国别省市：